JPH04126405A - パルス電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、スイッチ素子を用いてコンデンサの充電電荷
をパルス的に放電させる容量移行型のパルス電源装置に
係り、特に、スイッチ素子の熱損失を低減させ効率を高
めるのに好適なパルス電源装置とその駆動方法に関する
。

［従来の技術］ レーザ、Ｘ線、電子ビーム等の発生装置では高圧パルス
が用いられる。この高圧パルスを発生するパルス発生装
置としては、容量移行型、即ち放電用コンデンサの充電
電荷をスイッチ素子により短時間で放電させ、その放電
電圧を負荷に印加するように構成されたものが用いられ
ている。この種の装置では、スイッチ素子としてサイラ
トロンが用いられていたが、寿命等の関係から今日では
ＳＣＲやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが開
発されている。また、発生するパルスの立ち上がりの時
間変化率を制御するために、コンデンサの放電回路中に
可飽和リアクトルを挿入し、スイッチ素子をオンしてか
ら可飽和リアクトルが飽和するまでは殆ど放電電流が流
れず、飽和したとたんに急峻な立ち上がりのパルス電流
が流れるようにしている。

このように構成されたパルス発生装置では、可飽和リア
クトルが飽和して放電電流が流れ始めたときまでは、ス
イッチ素子にも電流が殆ど流れていない。このため、例
えばｔ導体スイッチ素子を用いるときはその素子のＰＮ
接合部にキャリアが十分注入され拡散していないから大
きな抵抗値を持ち、熱損失がさけられない。これはサイ
ラトロンでも同様である。特にパルス幅が小さい大電流
パルスのときはこれは顕著となる。この熱損失を低減す
るための従来技術には特開昭５０−８７２６３号公報に
示されたものがあり、可飽和リアクトルと並列に抵抗器
を接続し、可飽和リアクトルが飽和に達するまでの間は
その抵抗を通して小電流を流す。その電流によってスイ
ッチ素子は通電され、抵抗値が小さくなっているから、
可飽和リアクトル飽和時の大電流に対する熱損失が小さ
くなる。また、特開昭６３−１３６８１２号公報に示さ
れた従来例では、可飽和リアクトルと並列にコイルを接
続し、スイッチ素子がオンされてからこのコイルを通っ
て徐々に増大しながら流れる電流が、可飽和リアクトル
の飽和到達時点にスイッチ素子の抵抗値を十分小さくす
るようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ 特開昭５０−８７２６３号公報に示された従来技術では
、可飽和リアクトルに並列接続された抵抗の損失が無視
できないものとなる。例えばレーザ出力１００Ｗ級の銅
蒸気レーザの場合、所要のパルスは電圧２０ｋＶ、ピー
ク電流２ｋＡ、電流パルス幅約５０ｎ　ｓ、繰り返し周
波数５ｋｌ（ｚである。スイッチ素子には蒸気ピーク電
流の１０％程度を、可飽和リアクトルが未飽和の状態で
流す必要があり、このときの並列抵抗の熱損失は２０　
［ｋｖｌ　ｘ２　［ｋＡ］　ｘｌＯ［％］　Ｘ５０［ｎ
　　ｓ］　　ｘ５　　［ｋＨｚ］　　＝１０００　　［
Ｗコ即ち１ｋＷにも達する。パルス出力は１０ｋＷであ
るので１０％ものエネルギーが損失になる。また、同時
にこの抵抗を通しての放電により放電用コンデンサの充
電電圧が低下し、可飽和リアクトルが飽和したときのパ
ルス電圧が低下する。更に放電用コンデンサの充電電圧
を変える場合はそれに比例して抵抗を流れる電流が変化
し、パルス発生前にスイッチ素子を流れる電流の過不足
が生じて最適な制御ができないという問題もあった。

一方、特開昭６３−１３６８１２号公報に示された従来
技術では、コイルの熱損失は小さいが。

スイッチ素子に放電用コンデンサとは別の電源により通
電しておくことは考慮されておらず、また放電用コンデ
ンサの放電電流を用いた場合も可飽和リアクトルに二次
巻線を設けるかまたは別に設けたトランスの二次巻線の
出力でスイッチ素子を通電しておくことは考慮されてい
ない。また、可飽和リアクトルに並列接続されたコイル
のコイル電流は放電用コンデンサの充電電圧を変えた場
合に変化するから、スイッチ素子のパルス発生時の通電
電流の値も変化するという問題もあった。

本発明の目的は、熱損失が小さいパルス発生装置を提供
することにあり、またパルス発生時のスイッチ素子への
通電電流が放電用コンデンサの充電電圧の影響を受けな
い安定したパルス発生装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、スイッチ素子に電流を供給するための電
源回路を設けることにより達成され、あるいはスイッチ
素子にキャリアを発生させるための光源装置を設けるこ
とにより達成され、あるいはスイッチ素子に電流を供給
するための可飽和リアクトルの二次コイル、またはその
一次コイルが放電用コンデンサの放電回路に直列挿入さ
れその二次コイルから上記電流を供給するためのトラン
スを設けることにより達成される。

［作用］ スイッチ素子に、パルス電流放電用コンデンサの充電電
源とは独立な電源回路から電流を供給し、あるいはレー
ザ等の光源でスイッチ素子を照射してキャリアを発生さ
せその抵抗値が小さくなるように制御すれば、可飽和リ
アクトルに抵抗を並列接続したときのような大きな熱損
失は生じない。

また放電用コンデンサから電流をとっていないので、そ
の充電電圧が変化して発生パルスが変化する心配もない
。また電源回路または光源装置はパルス発生機構とは独
立であるから、スイッチ素子への供給電流／光照射量の
大きさやその供給／照射の時間は自由に設定でき、むだ
な通電や照射を無くし最適な電流量でスイッチ素子の抵
抗値を低くするように制御できる。一方、可飽和リアク
トルに二次コイルを設け、あるいはトランスを挿入して
その二次側からスイッチ素子に′Ｒ流を供給する場合は
、放電用コンデンサを電源として用いるからその充電電
圧は変化するが、熱損失の少ないパルス発生装置を実現
できる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１実施例に係るパルス電源装置の
回路図である。放電用コンデンサ３は、充電電源１８か
ら充電抵抗１７とインダクタ４を通して充電され、スイ
ッチ１が閉じられると、放電用コンデンサ３の電荷が可
飽和リアクトル２゜スイッチ１．負荷６の経路で放電さ
れて高電圧パルスが負荷６に印加される。このときコン
デンサ３の充電時間に比べ高電圧パルスの時間幅は十分
小さいので、インダクタ４の影響は無視できる。

抵抗値制御用電源３５は、本実施例の特徴とするもので
、スイッチ１を閉した後にスイッチ１の抵抗値を小さく
する様に機能する。

第２図は本実施例の動作を示す図である。第１図で、接
地点を基準電位としたときのスイッチ１と可飽和リアク
トルとの接続点Ｂの電位をＶｓ。

可飽和リアクトル２とコンデンサ３との接続点Ａの電位
をＶｃ、スイッチ１を流れる電流をＩｓとする。第２図
（ａ）は、抵抗値制御用電源３５が無い場合のＶｃ、Ｖ
ｓ、Ｉｓの時間変化を示しており、−点Ｍ４１ｓがｖｓ
、実線がＶｃ、点線がＩｓである。スイッチ１が時刻ｔ
１に閉じられると未飽和状態の可飽和リアクトルは高イ
ンピーダンスで電圧を保持する。従って電圧Ｖｓは急速
に降下するが電圧Ｖｃは下らない、また、スイッチ１に
は電流が殆ど流れないので、スイッチ１に半導体素子や
サイラトロンを用いた場合、その抵抗は十分に小さくな
らないままとなる。このため、可飽和リアクトル２が時
刻ｔ２に飽和し、電流Ｉｓが流れ始めると、スイッチ１
の電圧Ｖｓが再び大きくなり、半導体中にキャリアが発
生して抵抗値が下がるまで、電圧Ｖｓは十分小さい値に
はならない。このため、電圧Ｖｓと次第に増大する電流
■Ｓとの積がスイッチ１の損失となり（第２図ではこれ
を斜線部で概略的に示した）、大きな損失が発生する。

第２図（ｂ）は抵抗値制御用電源３５を設けた場合の動
作を示している。スイッチ１閉後に抵抗値制御用電源３
５が低い電圧でスイッチ１に電流を流せば、可飽和リア
クトル２の飽和Ｑｔ＝ｔ２にはスイッチ１の抵抗値は十
分小さくなっている。

このため、スイッチ１の電圧Ｖｓは上昇せず、損失を小
さな値に抑えることができる。本実施例によれば、電源
３５自体もスイッチ１も小さい熱損失で動作し、またス
イッチ１への通電量や時間も電源３５側で自由に制御で
きるから常に効率よくスイッチ１を動作させることがで
きる。また放電用コンデンサ３の充電電圧はパルス発生
前のスイッチ通電の影響を受けないから、安定なパルス
発生が可能となる。

尚、第１図の実施例においては、基準電位（接地点）、
スイッチ１．可飽和リアクトル２、コンデンサ３の順に
放電経路が構成されているが、これは任意の接続順が可
能で、次のいずれでもよい。

（１）基準電位−スイッチ−コンデンサー可飽和リアク
トル。

（２）基準電位−コンデンサースイッチー可飽和リアク
トル、 （３）基準電位−コンデンサー可飽和リアクトル−スイ
ッチ。

（４）基準電位−可飽和リアクトル−スイッチ−コンデ
ンサ、 （５）基準電位−可飽和リアクトル−コンデンサースイ
ッチ。

このような接続としたときの充電用電源１８の接続位置
は、（１）の場合はスイッチとコンデンサの間、（２）
の場合はコンデンサとスイッチの間。

（３）の場合はコンデンサと可飽和リアクトルの間また
は可飽和リアクトルとスイッチの間、（４）の場合スイ
ッチとコンデンサの間、（５）の場合コンデンサとスイ
ッチの間である。また（２）、（３）、（５）の場合は
、充電用インダクタ４は不要になる。更に、第１図の実
施例では、充電用電源１８の一端は接続点Ａではなく接
続点Ｂに接続されてもよい。

第３図は第１図の抵抗値制御用電源３５の一実施例を示
したもので、ダイオード７、スイッチ８、及び出力電圧
可変の電源９を直列に接続し、これをスイッチ１に並列
に接続することによりスイッチ１閉後の抵抗値制御を行
っている。ダイオード７、スイッチ８、電源９の接続順
序は問わない。

また、電源９は定電流源でもよい、また第３図ではスイ
ッチ１及びスイッチ８をサイリスタで構成したが、サイ
リスタ以外の半導体素子または放電管素子（サイラトロ
ン等）でもよい。スイッチ８は省略も可能であるが、こ
れを設ければスイッチ１への通電時間を制御して不要な
通電をなくすことができる。また、スイッチ８の逆電圧
保護のために、通常、ダイオード７及びスイッチ８に並
列に分圧器が接続されるが、これは自明なので図示を略
した。また、第１図の充電用電源１８も図示を省略して
いる。

第４図は第３図の抵抗値制御用電源３５を改良した実施
例を示すもので、第３図の回路に、コンデンサ３の充電
電圧を検出して電源９の電圧を調整する電圧調整器１６
と、スイッチ８を閉じた際にスイッチ１に逆電圧が発生
するのを防ぐためのダイオード１０及び抵抗器１１とが
付加されている。放電用コンデンサ３の充電電圧を変化
させると可飽和リアクトル２が飽和する時刻が異なる。

即ちコンデンサ３の充電電圧を大きくすると可飽和リア
クトルが飽和する時刻が早くなり、コンデンサ３の充電
電圧を小さくするとその時刻が遅くなる。従って本実施
例では、コンデンサ３の充電電圧を検出し、その値が大
きくなったときほど電源９の出力電圧を大きくし、小さ
くなったときほど電源９の出力電圧を小さくするように
電圧調整器１６を動作させる。これにより、可飽和リア
クトルが飽和に達したとき、スイッチ１が丁度適当な低
抵抗値を持つようにでき、余分な損失を減らし且つスイ
ッチ１を保護することができる。

第５図は第３図の実施例の変形例を示すもので、同図（
ｃ）に示すように１つの直流電源３０出力をインバータ
２９で交流電圧としトランス２８を介して適当な電圧と
してからｌｌ流器２６．２７で直流電圧にする。これら
の出力端子Ｘ−Ｚ及びＹ−２は第５図（ａ）または（ｂ
）の同記号名の端子ｘ、ｙ、ｚにそれぞれ接続される。

この実施例は、コンデンサ３の充電用電源とスイッチ１
の抵抗値制御のための通電用の電源（第３図電源９に対
応）を１つの直流電源３０から発生するようにしたもの
で、いずれの場合も充電用電流は端子Ｘ。

インダクタ２４、ダイオード２５を通して供給され、ス
イッチへの電流は端子Ｙ、インダクタ２３、ダイオード
２２を通して供給される。第５図（ａ）（ｂ）の違いは
、充電電流が、（、）では可飽和リアクトル２を通さず
にコンデンサ３へ供給され、（ｂ）では可飽和リアクト
ル２を通してコンデンサ３へ供給される点であるが、動
作はほぼ同じである。本実施例によれば、コンデンサ３
の充電用電源とスイッチへの通電用電源を一体化でき安
価な装置とすることができる。

第６図は本発明の第２の実施例を示すもので、スイッチ
１を光源袋ｗ３１からの光３２により半導体スイッチ１
内にキャリアを励起し、これによって半導体の抵抗値が
小さくなるように制御する。

光源装置３１としては、レーザ光あるいはＬＥＤからの
発光を用いることができる。

第７図及び第８図は本発明の第３の実施例を示すもので
、いずれも放電用コンデンサ３からの放電電流を電源と
してスイッチ１に通電するものである。即ち、第７図の
場合は、可飽和リアクトル２に二次巻線１２を設け、こ
の二次巻線の出力電圧を電源として、第３図に示す実施
例と同様に、ダイオード７、スイッチ８経由でスイッチ
１に電流を流し、スイッチ１の抵抗値を小さくする。ま
た第８図の場合は、トランス１３を放電経路に直列挿入
し、その二次電圧を電源とする。これらの実施例におい
て、第４図と同様のダイオード１０、抵抗１１を保護用
に設けてもよい。またスイッチ８の省略も可能である６ 上記の第３実施例によれば、可飽和リアクトル２が未飽
和の間だけりアクドル２の電流が時間変化して二次側巻
線に電圧が誘起されるから、その間だけスイッチ１に通
電できるという利点がある（飽和後はこの通電は不用）
。尚、第７図の実施例において、可飽和リアクトル２の
一次巻線は大電流を流す関係から１回等と少ないことが
多い。

このような場合、二次巻線も同じく１回あるいはそれ以
上とすると二次電圧が高くなりすぎる。この場合は、第
９図に示すように、磁性体コアを複数個積み重ねて一次
巻線を巻いて可飽和リアクトルを形成する。そして一部
分のコアのみに二次巻線１２を巻くようにすれば、一次
巻線が１巻きでも、二次巻線に低い電圧を出力できる。

また第８図の場合も、トランス１３を空心または非磁性
イを芯として構成することにより、その二次電圧を低電
圧とすることができる。また、トランスの挿入位置はコ
ンデンサ３と可飽和リアクトル２の間以外でもよいこと
はもちろんである。

次に１以上の各実施例に共通した変形例を説明する。第
３図、第４図、第７図、第８図の実施例では、スイッチ
１の抵抗値制御用の電源をオンオフするためのスイッチ
８が設けられている。このようなオンオフ手段は、他の
例でも容易に付加することができる。そしてこのスイッ
チ８を、スイッチ１が閉じるのと同時かそれよりも前に
閉じ、スイッチ１を流れる電流が予め定めた電流値ＩＯ
よりも大きい値から１０以下になったときに、スイッチ
８を開く。この運転方法を用いることにより、スイッチ
１制御用電源の出力電流を不用に流す必要がなくなり、
パルス電源装置全体としての効率は更に向上させること
ができる。

また、スイッチ１に半導体素子を用いた場合には、大電
流を流すために複数個の素子が並列接続して用いられる
。この場合、各素子に流れる電流に偏りがあると一部の
素子が破壊される危険性がある。このために、各素子の
特性に応じで抵抗値制御用電流の大きさまたは通電時間
を個別に制御し、可飽和リアクトルが飽和したときの大
電流が各素子で均等化されるようにするのが好ましい。

［発明の効果］ 本発明によれば、スイッチ素子の抵抗値制御を、制御用
の別電源または発光源を用いることにより、熱損失が少
なくかつ放電特性と相互に影響することなく正確に行う
ことができる効果があり、また。

可飽和リアクトルの二次巻線あるいはトランスを用いる
ことにより簡単な構成で小さい熱損失で行える効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施
例に係るパルス電源装置の回路図及びその動作説明図、
第３図、第４図、第５図（ａ）。 （ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ第１図の実施例の抵抗値制御
用電源の具体例を示す図、第６図は光源装置を用いた本
発明の第２の実施例に係るパルス電源装置の回路図、第
７図及び第８図はそれぞれ放電用コンデンサの電荷を電
源とした本発明の第３の実施例の構成図、第９図は第８
図に示すトランスの構成図である。 １００．スイッチ素子、２・・・可飽和リアクトル、３
・放電用コンデンサ、６・・負荷、８・・スイッチ、９
，３０・・・電源、１２・・・二次巻線、１３．２８・
・トランス、１６・・電圧調整器、１８・・・充電用電
源。 ２６．２７・・・整流器、２９・・・インバータ、３１
・・・レーザ装置、３３・・・ＬＥＤ、３５・・・抵抗
値制御手段。 特許出願人　株式会社日立製作所 代理人　弁理士　秋　本　正　　実 第 図 第 図 （ｂ） 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを任
   意の順序で直列接続しかつその両端が負荷に接続された
   直列回路と、上記コンデンサを充電するための充電用電
   源とを備え、該電源によって上記コンデンサに充電され
   た電荷を上記主スイッチをオンすることによって上記直
   列回路と上記負荷に流してパルス電流を負荷に供給する
   パルス電源装置において、上記主スイッチに電流を流し
   て該主スイッチの抵抗値を制御するための抵抗値制御用
   電源を前記電源とは別に設けたことを特徴とするパルス
   電源装置。 ２、前記抵抗値制御用電源はその出力をオンオフするた
   めのスイッチ手段とその出力を調整するための電圧可変
   手段との一方または双方を有することを特徴とする請求
   項１記載のパルス電源装置。 ３、前記主スイッチが複数の並列接続された半導体素子
   より成り、前記スイッチ手段は上記半導体素子の各々に
   ついてそのオンオフ時間が設定可能であり、前記電圧可
   変手段は上記半導体素子の各々についてその出力電圧が
   設定可能であることを特徴とする請求項２記載のパルス
   電源装置。 ４、前記コンデンサの充電電圧を検出する電圧検出手段
   を設け、該手段による検出電圧に応じで前記電圧可変手
   段は前記抵抗値制御用電源の出力電圧を調整することを
   特徴とする請求項２または請求項３記載のパルス電源装
   置。 ５、前記充電用電源及び抵抗値制御用電源は、直流電源
   と、該電源の出力を交流電圧に変換するインバータと、
   該インバータ出力を電圧変換して２つの交流電圧を出力
   するトランスと、上記交流電圧の各々を整流して充電用
   電源及び抵抗値制御用電圧として出力する２つの整流器
   とから成ることを特徴とする請求項１記載のパルス電源
   装置。 ６、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを任
   意の順序で直列接続しかつその両端が負荷に接続された
   直列回路と、上記コンデンサを充電するための充電用電
   源とを備え、該電源によって上記コンデンサに充電され
   た電荷を上記主スイッチをオンすることによって上記直
   列回路と上記負荷に流してパルス電流を負荷に供給する
   パルス電源装置において、上記主スイッチに光を照射し
   て該スイッチの抵抗値を制御するための光源装置を設け
   たことを特徴とするパルス電源装置。 ７、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを任
   意の順序で直列接続しかつその両端が負荷に接続された
   直列回路と、上記コンデンサを充電するための充電用電
   源とを備え、該電源によって上記コンデンサに充電され
   た電荷を上記主スイッチをオンすることによって上記直
   列回路と上記負荷に流してパルス電流を負荷に供給する
   パルス電源装置において、上記可飽和リアクトルに二次
   巻線を設け、該二次巻線の出力電圧を上記主スイッチに
   印加して該スイッチの抵抗値制御を行う構成としたこと
   を特徴とするパルス電源装置。 ８、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを任
   意の順序で直列接続しかつその両端が負荷に接続された
   直列回路と、上記コンデンサを充電するための充電用電
   源とを備え、該電源によって上記コンデンサに充電され
   た電荷を上記主スイッチをオンすることによって上記直
   列回路と上記負荷に流してパルス電流を負荷に供給する
   パルス電源装置において、上記直列回路にトランスを挿
   入し、該トランスの二次巻線の出力電圧を上記スイッチ
   に印加して該スイッチの抵抗値制御を行う構成としたこ
   とを特徴とするパルス電源装置。９、前記二次巻線の出
   力をオンオフするスイッチ手段を設けたことを特徴とす
   る請求項８記載のパルス電源装置。 １０、前記可飽和リアクトルは、その一次巻線が複数個
   の磁性体コアを積み重ねた磁芯の全体に巻かれて成り、
   前記二次巻線は上記磁芯の一部の磁性体コアに巻かれて
   成ることを特徴とする請求項８記載のパルス電源装置。 １１、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを
   任意の順序で直列に接続し充電電源にて前記コンデンサ
   に充電した電荷を前記スイッチを閉じることで放電させ
   パルス電流を負荷に流す手段と、前記充電電源とは別電
   源からの抵抗値制御用電流を前記スイッチに流して該ス
   イッチの抵抗値を低下させる手段とを備えるパルス電源
   装置において、前記スイッチを閉じるときに同時に前記
   抵抗値制御用電流を該スイッチに流すことを特徴とする
   パルス電源装置の駆動方法。 １２、主スイッチと可飽和リアクトルとコンデンサとを
   任意の順序で直列に接続し充電電源にて前記コンデンサ
   に充電した電荷を前記スイッチを閉じることで放電させ
   パルス電流を負荷に流す手段と、前記充電電源とは別電
   源からの抵抗値制御用電流を前記スイッチに流して該ス
   イッチの抵抗値を低下させる手段とを備えるパルス電源
   装置において、前記スイッチを閉じる直前から該スイッ
   チに前記抵抗値制御用電流を流す電圧を印加しておくこ
   とを特徴とするパルス電源装置の駆動方法。 １３、可飽和リアクトルが飽和する前に前記抵抗値制御
   用電流を遮断することを特徴とする請求項１１または請
   求項１２記載のパルス電源装置の駆動方法。 １４、前記スイッチにながれる電流が所定値以上の値か
   らそれ以下に下がったときに前記抵抗値制御用電流を遮
   断することを特徴とする請求項１１または請求項１２記
   載のパルス電源装置の駆動方法。